Электротехнические материалы

Лекция 6  

Проводниковые материалы          

6.1. Общие свойства проводников. Температурный коэффициент сопротивления, потери, нагрев проводников.

          6.2. Материалы для проводов. Медь. Алюминий.

          6.3. Материалы для контактов.

          6.4. Материалы с малым температурным коэффициентом сопротивления.  Материалы для термопар.

          Хотя, как известно, электроэнергия передается не по проводникам, а по диэлектрическому пространству между проводниками, тем не менее, проводники необходимы для направления потоков этой энергии. 

6.1. Общие свойства проводников. Температурный коэффициент сопротивления, потери, нагрев проводников.

в начало лекции

       Основная характеристика проводника - это его электропроводность.

       Как известно, и мы рассматривали этот вопрос на 2 лекции, в любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока

                                                                                     (6.1)

          Здесь n_i - концентрация носителей заряда i-ого сорта, q_i - значение заряда, v_i - скорость заряда. Для металлов носителями заряда являются электроны. Примерное количество электронов в металле составляет около 10²² шт/см³. Если оценить концентрацию атомов типичного металла, то она составит примерно те же значения. Это означает, что все атомы ионизованы и электроны не принадлежат каждому атому, а обобществлены во всем кристалле. Классическая теория металлов рассматривала электроны как идеальный газ, частицы которого сталкиваются с дефектами решетки, колебаниями атомов, за счет чего их скорость остается ограниченной в электрическом поле. До столкновения электрон должен ускоряться в течение времени t. Можно показать, что длина свободного пробега, из классической механики, составит

                                                                                                     (6.2.)

Заряд, который протекает через единичную площадку в течение времени t заполняет цилиндр длиной l с плотностью n. Приравнивая l n произведению плотности тока на длительность t, получим.

J =

(6.3.)

            Из этого выражения следует закон Ома для металлов, выражение для удельной электропроводности будет иметь вид

                                                                                                  (6.4.)

             Если те же операции провести для переноса тепла электронным газом, то значение удельной теплопроводности k составит

                                                                                           (6.5)

           Здесь k - постоянная Больцмана, Т - температура. Отсюда можно получить, что известная из практики закономерность, что чем больше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность имеет под собой теоретическое обоснование. Действительно, поделив выражение (6.5) на (6.4.) и дополнительно разделив на Т получим, т.н. число Лоренца  

L =k ¤ (s×Т) = 3(k/e)²,

 т.е. теплопроводность  и электропроводность пропорциональны друг другу. Действительно, измеренные числа Лоренца для разных металлов слабо отличаются друг от друга.

Экспериментальные значения удельной электропроводности металлов, по порядку величины составляют (10⁸ - 10⁷) См/м.

Для практики важно, что электропроводность металлов зависит от температуры. Экспериментально установлено в ряде случаев, что эта зависимость близка к линейной зависимости. Обычно ее приводят в виде температурной зависимости удельного сопротивления.

r(T)= r(T₀)(1+ TКr(T-T₀))                                                             (6.6)

Здесь r( T₀) - удельное сопротивление при какой—то температуре T₀, обычно это 20°С. TКr - температурный коэффициент удельного сопротивления. Он имеет размерность 1/К (или 1/°С), для металлов TКr всегда положителен. Оценим значимость этого фактора - температурной зависимости удельного сопротивления. Например для меди он составляет 4.3×10^-3 1/К, что означает, что сопротивление удвоится при увеличении температуры на 232 градуса.

Для электрических проводов значение удельного сопротивления является самым важным фактором. Он определяет удельную мощность потерь электроэнергии в проводах, т.е. мощность в единице объема провода

р_потерь = j²×r                                                                                           (6.7.)

Проведем оценку для энерговыделения, например определим, через какое время материал проводов нагреется на 1 градус. Взяв в качестве материала проводов алюминий, r =2.8×10^-8 Ом·м,  для плотности тока возьмем два значения j=10-100 А/мм². Получим для удельной мощности потерь р_потерь= (2.8-280) МВт/м³. Много это или мало? Мощность Новосибирской ГЭС составляет около 500 МВт в период максимальной мощности. Насколько быстро при этом нагреваются провода? Сопоставим с известным выражением для тепловой мощности, требуемой для нагрева материала dQ/dt=cddT/dt, где d -плотность материала d=2.7 10³ кг/м³, с- теплоемкость, с= 386 Дж/(кг×К). Приравнивая тепловую мощность электрической мощности потерь получим

dT/dt~ (2-200) K/с

Нижняя граница, при j = 10 А/мм² означает, что провод может нагреться примерно на 2 градуса за 1 секунду, верхняя - на 200 градусов за 1 секунду. Ясно, что второе значение плотности представляется слишком большим.

Выражение (6.7) можно привести к измеряемым величинам: току I и площади сечения провода S, пересчитав его на потери в проводе, на единице его длины (1 м)

Р_потери= I²×r/S² 

В зависимости от плотности тока в проводах потери могут сильно различаться. Ясно, что при пропускании определенной мощности по линии электропередач, например для трехфазной линии Р = 3U_aI_, чем больше напряжение сети, тем больше мощность при том же значении тока. Поскольку потери определяются током, а передаваемая мощность произведением тока на напряжение, то выгоднее переходить на более высокие классы напряжения. Поэтому переходят на все более высокие напряжения, чтобы относительно меньшая доля энергии терялась в проводах. Однако, как будет рассказано в лекции по диэлектрическим характеристикам воздуха, невозможно бесконечно повышать напряжение.

Ясно также, что чем больше ток, тем больше мощность, причем зависимость линейная. Однако с ростом тока потери энергии растут квадратично, т.е. гораздо сильнее, чем рост передаваемой мощности. Увеличение площади сечения провода ослабляет проблему, но, с другой стороны, происходит увеличение стоимости строительства линии электропередач, т.к. стоимость цветного металла проводов значительна. Кроме того, увеличение веса проводов влечет увеличение массы опор, усложнение монтажа и т.п. В результате компромисса между увеличением потерь и увеличением строительства договорились рассчитывать провода линии на определенную компромиссную плотность тока, т.н. экономическую плотность тока. Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), для меди она составляет 2,5 А/мм² в случае открытых проводов при эксплуатации 1000-3000 часов в год, и снижается до 1.8 А/мм² при эксплуатации свыше 5000 в год. Для алюминия все цифры примерно в два раза ниже. Для кабелей все определяется условиями теплоотвода через изоляцию и оболочку кабелей, в ПУЭ допустимая плотность тока нормируется для каждого вида кабелей отдельно, как правило допустимая плотность тока еще ниже.  

6.2. Материалы для проводов. Медь, алюминий.

в начало лекции

Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было бы серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет примерно 1.4×10^-8 Ом×м, теплопроводность 418 Вт/(м×К). Однако этот материал слишком дорог и редок, поэтому серебро используют только для ответственных контактов, т.к. оно не только идеальный проводник, но и не окисляется в процессе работы, значит не ухудшаются свойства контакта со временем. Отметим, что другие, более привычные проводники, такие как медь или алюминий окисляются кислородом воздуха, превращаясь в непроводящие окислы, ухудшая или даже предотвращая омический контакт. Для проводов именно их и используют, потому что по электропроводности их можно поставить на 2-е и 3-е место после серебра.

Свойства меди. 
Медь - мягкий материал красноватого оттенка.
Атомный номер - 29
Атомная масса - 63.7
Валентность 1 и 2
Плотность при 20 °С 8.89 т/м³
Удельное сопротивление при 20 °С 1.7 10^-8 Ом×м.
Температурный коэффициент сопротивления 4.3 10^-3 1/К
Теплоемкость 386 Дж/(кг×К)
Теплопроводность ~ 400 Вт/(м×К)
Температура плавления 1083 °С
Прочность при растяжении 200 МПа

Применение меди в энергетике достаточно широко - различные проводники, кабели, шнуры, шины, плавкие вставки, обмотки трансформаторов и катушек.

Свойства алюминия. 
Алюминий - мягкий материал светло-серого цвета.
Атомный номер - 13
Атомная масса - 27
Валентность 3
Плотность при 20 °С  2.7 т/м³
Удельное сопротивление при 20 °С 2.8 10^-8 Ом×м
Температурный коэффициент сопротивления 4 10^-3 1/К
Теплоемкость 950 Дж/(кг×К)
Теплопроводность ~ 200 Вт/(м×К)
Температура плавления 660 °С
Прочность при растяжении 80 МПа

Сопоставление этих материалов по наиболее важным для практики параметрам  показывает, что они сильно отличаются по плотности, теплоемкости, прочности при растяжении. Любопытно, что произведение теплоемкости на плотность - мало отличается  у этих материалов (~30%) Тот факт, что у алюминия мала механическая прочность вынуждает армировать алюминиевые провода стальными сердечниками. При этом ток протекает по алюминию (у стали удельное сопротивление примерно в 5-10 раз выше чем у алюминия), а механическую прочность обеспечивает сталь.    

Для изготовления проводов используют алюминий, медь, бронзу, а также сочетания этих элементов со сталью. При сечении до 10-15 мм² обычно используют однопроволочные провода, при большем сечении - много проволочные, скрученные провода. Марки проводов А, АЖ, АН, АКП, АС, Б, БрФ, М, Мк и т.п. Наиболее популярные провода для ВЛ - сталеалюминиевые марки АС, например АС 95/16 означает, что в поперечном сечении 95 мм² алюминия и 16 мм² стали.

6.3. Материалы для контактов.

в начало лекции

Проводники в месте контакта отличаются от проводников в объеме проводов несколькими обстоятельствами их функционирования.

          Во - первых, невозможно сделать площадь контакта такой же или большей, чем площадь сечения проводов. Поэтому плотность тока и энерговыделение всегда выше в области контакта. Во-вторых, в месте контакта возникают микропробои, а иногда и макропробои, переходящие в дугу (размыкание контактов выключателя) с локальным высоким энерговыделением, что приводит к деформации материала в области контакта, локальному расплавлению и т.п. В третьих, в контакте возникает трение при движении одной части контакта о другую. В четвертых, контактные поверхности в разомкнутом состоянии не должны взаимодействовать с окружающей средой.  Поэтому материалы для контактов должны обладать особыми свойствами. Они должны быть стойкими против коррозии, стойкими против электрической эрозии и уноса материала, не свариваться, иметь высокую износостойкость на истирание, легко обрабатываться, притираться друг к другу, иметь высокую тепло и электропроводность, иметь невысокую стоимость.

Идеальных материалов  для контактов - нет.

      Для слаботочных контактов обычно используют благородные или тугоплавкие металлы: серебро, платину, палладий, золото, вольфрам и сплавы на основе этих металлов.

          Серебро - недостатком серебра является образование непроводящих серых пленок сульфида серебра в результате взаимодействия с влажным сероводородом. Другим недостатком является сваривание контактов ввиду малой температуры плавления серебра 960 ºС. Для улучшения свойств в серебро добавляют кадмий, медь, золото, палладий или кремний.

           Золото, само по себе, редко используется ввиду его мягкости, хотя оно абсолютно не окисляется. В месте контакта из-за мягкости металла легко образуется эрозия, иглы из металла , унос материала. Для улучшения свойств в золото добавляют серебро (до 50%), никель и цирконий, платину. В результате можно получить неокисляемые, твердые контакты со слабой эрозией.

Вольфрам является одним из распространенных контактных материалов. Он лучше всех противостоит дуговым разрядам, практически не сваривается, (благодаря высокой температуре плавления), не изнашивается (благодаря высокой твердости). Однако вольфрам не стоек против коррозии и окисления, лучше всего работает в вакууме, в атмосфере водорода или азота. Кроме того, для контактов с малым нажатием  вольфрам неприменим.

          Для сильноточных контактов чистые металлы не применимы. Для них используют т.н. псевдосплавы, получаемые методами порошковой металлургии. 

          Псевдосплав - спеченная смесь двух порошков, один из которых является более тугоплавким. При этом более легкоплавкая компонента может расплавиться в процессе работы, но наличие каркаса из тугоплавкой компоненты удерживает жидкость за счет капиллярных сил. Легкоплавкая компонента обычно является более тепло- и электропроводной. Используют следующие псевдосплавы:

серебро-окись кадмия, серебро-графит, серебро-никель, серебро-вольфрам, медь-графит, медь-вольфрам.

Для мощных цепей контакты делают накладными, на медь укрепляют пластины из Ag+W, либо Сu+W псевдосплава.

Для мощных размыкающих контактов с большими токами дуги (до 100 кА) используют медь-графит контакты. Они хуже свариваются, однако сильно изнашиваются под действием дуги. Псевдосплав с большим количеством графита (более 5%) используется в качестве щеток в скользящих контактах.  

6.4. Материалы с малым температурным коэффициентом сопротивления. Материалы для термопар.

в начало лекции

             Возвращаясь к температурному коэффициенту для проводниковых резистивных материалов следует упомянуть о существовании материалов с практически нулевым температурным коэффициентом сопротивления. Это манганин, материал для точных прецизионных резисторов, и константан. В самом названии константана заложена информация о постоянстве сопротивления. Состав манганина - марганец 11.5-13.5%, никель - 2.5-3.5%, остальное - медь. Состав константана - никель - 40%, марганец 1-2%, остальное - медь.  

По составу родственными являются материалы, используемые для термопар. Это хромель - сплав никеля и хрома (90% Ni + 10% Cr), алюмель - сплав никеля (94%) с алюминием, кремнием и марганцем, копель - сплав меди с кобальтом и никелем. Используются также константан и платина. Если к концам проволочки  из одного из таких материалов приварить проволочки из другого материала, получится термопара, а места спаев поддерживать при разной температуре, то на на разомкнутых концах проволочки появится ЭДС, так называемая термоЭДС. Это называется эффект Зеебека.  Значение термоЭДС, в зависимости от сочетаний материалов составляет примерно 1-10 мВ при разнице температур 100 К. Если поместить один спай при известной температуре, то измерение возникающего напряжения позволяет определить температуру того места, где находится второй спай.

Список лекций 

1. Введение в предмет.

2. Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.

3. Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.

4. Теплофизические и механические характеристики материалов.

5. Конструкционные материалы.

6. Проводниковые материалы.

7. Слабопроводящие материалы.

8. Электропроводность и потери в диэлектриках.

9. Процессы в диэлектриках по действием сильных электрических полей.

10. Газообразные  и жидкие  диэлектрики.

11. Твердые диэлектрики.

12. Магнитные материалы.

13. Сверхпроводящие материалы.

14. Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов.

15. Испытания материалов.